熱處理爐列管式預熱器的設(shè)計與應用

張小軍，趙華祺

(中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052)

隨著全球氣候變暖，人類生存的環(huán)境在不斷的惡化，其中工業(yè)廢棄物的排放越來越引起人們的重視，如何在發(fā)展經(jīng)濟的同時，控制好廢棄物的排放，既不妨礙經(jīng)濟發(fā)展，又要保護好環(huán)境，是值得我們每一個人思考的問題。工業(yè)爐是工業(yè)生產(chǎn)中必不可少的加熱設(shè)備之一，其在生產(chǎn)過程中勢必會產(chǎn)生廢棄物，尤其是燃天然氣工業(yè)爐，在加熱過程中一定會產(chǎn)生煙氣，如何將煙氣中直接排放的熱量進行更好的吸收，使其轉(zhuǎn)化為燃燒的輔助能量之一，做到節(jié)約能源，提升效能，真正做到綠色、環(huán)保，為優(yōu)化環(huán)境作貢獻，是值得研究的課題。

燃天然氣工業(yè)爐在使用過程中，其排放的煙氣溫度接近于爐溫，將排放的煙氣中的熱量通過空氣預熱器進行回收，從而提高預熱空氣的溫度，提高熱效率，是預熱器設(shè)計工作的主要目的。

本文通過列管式預熱器的設(shè)計計算舉例和列管式預熱器在某工程中的實際應用，來驗證設(shè)計的合理性和科學性。

1 列管式預熱器設(shè)計概述

管狀預熱器也可稱為列管式預熱器，主要作用為對流換熱，可用來回收中、低溫煙氣的余熱，通常在熱處理爐、加熱爐中應用廣泛。管狀預熱器的鋼管形狀分圓管和扁管兩種，鋼管中有時裝入插入件或擾流件以加強熱量傳遞。預熱器結(jié)構(gòu)形式較多，有直形管、彎曲管、S形管、U形管，也可以采取集氣箱方式連接[1]。

本文以中溫熱處理爐計算舉例，采用集氣箱式結(jié)構(gòu)，預熱器管束內(nèi)壁厚度2 mm，管束外徑50 mm，空氣流速取10 m/s，煙氣流速取2.5 m/s。被預熱空氣在管子內(nèi)流動，煙氣在管子外流動，綜合傳熱系統(tǒng)一般為15～20 W/(m2·℃)，為了大幅度提高綜合傳熱系數(shù)，在每根管束內(nèi)部設(shè)置擾流件，同時為了提高壽命，擾流件采用1Cr18Ni9Ti材質(zhì)。設(shè)計空氣預熱溫度250 ℃，高溫端管束采用不銹鋼管材，低溫端管束采用20#滲鋁管材。

列管式預熱器可采用兩行程錯、逆流或錯、順流熱交換型，也可組合成多行程順流或逆流熱交換型。文中所述列管式預熱器采用雙行程逆流熱交換型。

列管式預熱器的各項性能指標如下：

(1)進預熱器煙氣溫度620～650 ℃；

(2)空氣預熱溫度200～250 ℃；

(3)煙氣側(cè)壓力損失50～500 Pa；

(4)空氣側(cè)壓力損失200～2 000 Pa；

(5)綜合傳熱系數(shù)23 W/(m2·℃)；

(6)使用壽命≥8年。

2 列管式預熱器的設(shè)計計算

2.1 原始數(shù)據(jù)及有關(guān)參數(shù)

圖1 預熱器結(jié)構(gòu)形式簡圖

2.2 設(shè)計計算

預熱空氣所需熱量

250-1.297 1×20)=1 941 395.4 kJ/h

(1)

不同溫度下空氣的比熱容見表1。

表1 不同溫度下空氣的比熱容

2.3 出預熱器煙氣溫度

(2)

不同溫度下煙氣的比熱容見表2。

表2 不同溫度下煙氣的比熱容

2.4 對數(shù)平均溫差

(3)

式中：△ts為預熱器入口處煙氣與空氣的溫差，℃；逆流時△ts=t′y-t″k=600-20=580 ℃；△tz為預熱器出口處煙氣與空氣的溫差，℃；逆流時△tz=t”y-t′k= 418-250=168 ℃；ψ為逆流時，ψ=1。

2.5 煙氣側(cè)傳熱系數(shù)

管束外徑d1=50 mm，管束內(nèi)徑d2=46 mm，順列排列，管子間距S1=90 mm，S2=110 mm，煙氣流速ωy=2.5 m/s(標準)。

(4)

2.5.1 雷諾數(shù)Re

查《工業(yè)爐設(shè)計手冊》附錄表C-3，ν′=93.6×10-6m2/s，ν″=64.2×10-6m2/s

2.5.2 煙氣側(cè)對流換熱系數(shù)

2.5.3 煙氣側(cè)輻射傳熱系數(shù)

輻射厚度

P(CO2)Sf= 8.5×0.169=1.436 kPa·m，查《工業(yè)爐設(shè)計手冊》圖2-20當煙氣溫度為600 ℃和422 ℃時，分別查得：

入口處ε(CO)2′=0.058；出口處ε(CO)2″=0.053

P(H2O)Sf= 16.5×0.169=2.788 kPa·m，查《工業(yè)爐設(shè)計手冊》圖2-21、圖2-22分別查得煙氣溫度為600 ℃和422 ℃時的ε(H2O)及β值：

入口處ε(H2O)′=0.068；出口處ε(H2O)″= 0.08；β=1.16

設(shè)入口管壁溫度為600 ℃，由《工業(yè)爐設(shè)計手冊》圖7-14查得輻射傳熱系數(shù)為

αf′=44.2 W/(m2·℃)

設(shè)入口管壁溫度為430 ℃，由《工業(yè)爐設(shè)計手冊》圖7-14查得輻射傳熱系數(shù)為

αf″=13.8 W/(m2·℃)

煙氣側(cè)傳熱系數(shù)為

2.6 空氣側(cè)傳熱系數(shù)

取空氣流速ωk=10 m/s(標準)，管子內(nèi)徑d2= 46 mm，查《工業(yè)爐設(shè)計手冊》附錄表中C-4，ν′=15.03×10-6m2/s，ν″=41.36×10-6m2/s

2.6.1 雷諾數(shù)Re

Re′、Re″均大于5 000，可按《工業(yè)爐設(shè)計手冊》圖7-15查得各參數(shù)αk0、c1、ct、cl的值。

2.7 綜合傳熱系數(shù)K

2.8 預熱器傳熱面積

式中：K為預熱器平均綜合傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；△td為對數(shù)平均溫差，℃。

由于預熱器在使用過程中存在積灰和氣流分布不均勻等不利因素，適當將傳熱面積增大至75 m2。

2.9 預熱器管束的排列

(1)管子每米長度的傳熱面積f。

0.150 7 m2/m

(2)所需管子總長度L。

(3)每根管子的空氣流量vk。

(4)并列管子根數(shù)n。

(5)單管長度l。

(6)面對煙氣橫向管束列數(shù)y。

(7)面對煙氣縱向管束列數(shù)x。

管束排列結(jié)果：雙行程，單根管子長度1.56 m，管子總數(shù)為2×156=312根，橫向13根，縱向12根。

(8)預熱器外形尺寸。

管子距集氣箱邊緣b= 0.05～0.1 m，取b= 0.055 m。

預熱器上部兩集氣箱中間采用鋼板進行隔斷，從而確保冷熱空氣不互相串流。

預熱器有效高度(不含集氣箱)為1.6 m。

預熱器有效寬度B=(y-1)S1+2b=(12-1)×0.11+2×0.055=1.32 m

預熱器有效長度L=2(x-1)S2+4b+a=2×(13-1)×0.09 + 4×0.055 +0.02=2.4 m

預熱器管束排列及布置尺寸見圖2。

圖2 預熱器管束排列及布置圖(mm)

(9)預熱器管壁溫度tb。

(10)空氣通道阻力。

總阻力h=hj+hm=262+3.86=265.86 Pa

式中：ωk為通道內(nèi)空氣流速，m/s(標準)；ρ為通道內(nèi)空氣密度，kg/m3(標準)；t′k、t″k為進、出通道的空氣溫度，℃；tp為通道內(nèi)空氣平均溫度，℃；ξ1、ξ2為通道進口及出口局部阻力系數(shù)，對管狀預熱器一般取ξ1=2、ξ2=1。

(11)煙氣通道阻力。

煙氣為橫向流過管束：

式中：ωk為管束最窄出空氣流速，m/s(標準)；ξ為管束的阻力系數(shù)，根據(jù)管束排列方案及管子排數(shù)而定。

順列管束的阻力系數(shù)ξ=ξ0Z=0.195×26=5.07

式中：ξ0為每排管子的阻力系數(shù)；當S1≤S2，及0.12≤φ≤1時

式中：Z為管子排數(shù)。

2.10 創(chuàng)建三維模型，構(gòu)建裝配件

根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)，通過Unigraphics軟件創(chuàng)建預熱器管束、擾流片和外觀的三維模型，并采用裝配的模式進行單根管束的安裝，再利用陣列命令制作出整排管束，最后制作出列管式預熱器的結(jié)構(gòu)圖，并對裝配圖進行干涉檢查和評估，見圖3。

圖3 預熱器三維模型圖

3 列管式預熱器的實際應用

某公司在華東地區(qū)某中溫臺車式熱處理爐上已經(jīng)成功運用列管式預熱器，當爐溫為600 ℃時，預熱空氣溫度為282 ℃，若隨著爐溫的提高，預熱空氣溫度也將相應提高。實際應用情況見圖4，相比傳統(tǒng)的筋片式預熱器，預熱空氣溫度提高了約130 ℃，在同類型溫度和爐型的情況下，節(jié)能效果十分顯著。

圖4 實際應用圖

4 結(jié) 論

通過理論計算和實際應用，實踐證明，列管式預熱器的設(shè)計和實際應用相吻合，理論計算結(jié)果十分接近實際情況，預熱空氣溫度超過設(shè)計溫度，空氣預熱效果良好，說明列管式預熱器的設(shè)計是科學合理的，可為今后在燃氣型工業(yè)爐等工程應用提供參考和借鑒。